蔡曉陽，張艷萍，焦凡凡，張麗媛

（北京工商大學輕工科學技術(shù)學院，北京100048）

近年來，隨著我國食品加工、制藥、化工、造紙等行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量含高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水〔1〕。如果直接排放會對人體健康和環(huán)境造成嚴重污染。硫酸鹽還原菌（SRB）作為一種形態(tài)多樣的厭氧微生物，在厭氧條件下，可以利用硫酸鹽作為電子受體氧化簡單的有機化合物并生成硫化物，這樣不僅可以有效去除廢水中的硫酸鹽，其生成的硫化物還可以和廢水中的金屬離子反應(yīng)形成不溶性金屬硫化物，從而有助于同時從廢水中去除硫酸鹽和重金屬〔2〕。

影響SRB去除廢水中硫酸鹽的因素有很多，例如，當初始pH從中性（pH=7.6）升高至 8.6～9.0時，SRB 的活性降低了 30%～50%〔3〕。 Fe2+質(zhì)量濃度和COD/SO42-（C/S比）也是影響SRB去除廢水中硫酸鹽的兩個重要因素。鐵元素是SRB細胞中與硫酸鹽還原相關(guān)的多種功能酶的輔基成分，有研究表明，F(xiàn)e2+可以刺激SRB中含鐵功能酶的活性〔4〕。C/S比是硫酸鹽還原過程的關(guān)鍵性因素〔5〕，是影響SRB新陳代謝過程的重要參數(shù)，同時也涉及到含硫酸鹽廢水處理過程中的碳源保障問題。許多研究已經(jīng)報道了初始pH、Fe2+濃度、C/S比對SRB生長情況和其去除廢水中硫酸鹽的影響〔1，6〕，但沒有考慮到這些因素的相互影響。因此，本研究采用響應(yīng)面法研究了這三個關(guān)鍵因素的交互作用，以期最大限度地提高廢水中的硫酸鹽去除率，為SRB處理含硫酸鹽廢水的工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 菌株來源

樣品取自山東某食品公司處理檸檬酸廢水的IC反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥。

1.2 培養(yǎng)基

富集培養(yǎng)基（液體培養(yǎng)基）：采用改進的PostgateC 培養(yǎng)基，主要成分：KH2PO40.5 g，NH4Cl 1 g，Na2SO40.5 g，CaCl20.1 g，MgSO4·7H2O 1 g，70%乳酸鈉5 mL，酵母膏0.5 g，1 000 mL去離子水，pH為6.5。在0.1 MPa，121℃下滅菌30 min。另用無菌水配制25 g/L的FeSO4·7H2O和5 g/L的抗壞血酸溶液，使用前分別用0.22μm濾膜過濾除菌后，在每100 mL培養(yǎng)基各加入2 mL，此時，兩者在培養(yǎng)基中對應(yīng)的質(zhì)量濃度分別為0.5 g/L和0.1 g/L，其中的Fe2+質(zhì)量濃度約為 185.00 mg/L〔7〕。

分離培養(yǎng)基（固體培養(yǎng)基）：在富集培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加2%的瓊脂粉。

1.3 SRB富集

取10 g厭氧顆粒污泥于裝有90 mL無菌水和玻璃珠的錐形瓶中，在恒溫搖床內(nèi)振蕩培養(yǎng)1 h，取出后靜置30 min，按接種比為10%取上清液接種于富集培養(yǎng)基中，為了保證嚴格的厭氧環(huán)境，用高純氮氣氮吹5 min，然后用雙層封口膜封口，將其置于35℃，150 r/min的恒溫搖床內(nèi)培養(yǎng)，觀察培養(yǎng)基變化情況，當培養(yǎng)基變成黑色，且用潤濕的乙酸鉛試紙置于瓶口檢測有大量H2S生成時，說明SRB已大量富集，按1%的接種比轉(zhuǎn)接到新配制的液體培養(yǎng)基中，共轉(zhuǎn)接5次，然后對其進行分離純化。

1.4 SRB分離篩選

取 0.2 mL 稀釋度分別為 10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7的前期富集的SRB菌懸液，按照稀釋涂布-疊皿夾層法于分離培養(yǎng)基中培養(yǎng)，培養(yǎng)3～4 d后，平皿上長出的黑色小菌落即為SRB，挑取形態(tài)不一的單個菌落分別進行平板劃線，并將其放入?yún)捬醮信囵B(yǎng)，然后將挑選分離出的單個菌落接入液體培養(yǎng)基進行厭氧培養(yǎng)，如此重復(fù)進行即可獲得純菌株。對分離純化的SRB進行初步篩選，在相同的培養(yǎng)條件下根據(jù)培養(yǎng)過程中各個液體培養(yǎng)基變黑的速度和硫酸鹽去除情況確定后續(xù)實驗研究菌株。

1.5 指標測定方法

硫酸鹽濃度采用硫酸鋇比濁法〔8〕進行測定，COD采用快速消解分光光度法測定〔9〕，pH采用AS600型便攜式pH計進行測定。

按照1%的接種比，將液體培養(yǎng)24 h的SRB菌液接種于按照實驗設(shè)計配制好且經(jīng)過高溫滅菌處理后的液體培養(yǎng)基中，置于35℃、150 r/min的恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)48 h，每個樣品均設(shè)置2個平行，取培養(yǎng)好的菌懸液于50 mL離心管中，在11 000 r/min條件下離心10 min，取上清液測定硫酸鹽濃度，計算SRB的硫酸鹽去除率=（空白液體培養(yǎng)基的硫酸鹽濃度-接種液體培養(yǎng)基的硫酸鹽濃度）/空白液體培養(yǎng)基的硫酸鹽濃度×100%。

2 實驗設(shè)計

2.1 單因素實驗

2.1.1 初始pH的影響

將所篩選出的優(yōu)勢SRB，液體培養(yǎng)24 h后按1%的接種比接種于C/S比為3、Fe2+質(zhì)量濃度約為185.00 mg/L的液體培養(yǎng)基中，用1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L HCl溶液將初始 pH 分別調(diào)至 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，氮吹 5 min，封口膜封口，置于 35 ℃、150 r/min的恒溫搖床中培養(yǎng)，每組做2個平行，48 h后取樣測定廢水中硫酸鹽的去除率。

2.1.2 C/S比的影響

將所篩選出的優(yōu)勢SRB，液體培養(yǎng)24 h后按1%的接種比接種于初始pH為6.5、Fe2+質(zhì)量濃度約為185.00 mg/L的液體培養(yǎng)基中，本研究通過保持液體培養(yǎng)基初始硫酸鹽濃度不變，在液體培養(yǎng)基中加入不同質(zhì)量的乳酸鈉，進而調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中COD，使C/S比分別為 0.5、1、2、4、6，氮吹 5 min，封口膜封口，然后置于35℃、150 r/min的恒溫搖床中培養(yǎng)，每組做2個平行，48 h后取樣測定廢水中硫酸鹽的去除率。

2.1.3 Fe2+濃度的影響

將所篩選出的優(yōu)勢SRB，液體培養(yǎng)24 h后按1%的接種比接種于初始pH為6.5、C/S比為3的液體培養(yǎng)基中，通過在培養(yǎng)基中加入不同體積的FeSO4溶液（25 g/L），使 Fe2+質(zhì)量濃度分別為 0、92.50、185.00、277.50、370.00 mg/L（為了減少FeSO4濃度的增減對體系中硫酸鹽濃度帶來的影響，特通過調(diào)節(jié)MgSO4的濃度來保證體系中的C/S比不變，此時Mg2+濃度的變化影響忽略不計），氮吹5 min，封口膜封口，置于35℃，150 r/min的恒溫搖床中培養(yǎng)48 h，每組做2個平行，48 h后取樣測定廢水中硫酸鹽的去除率。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化實驗條件

采用Design-Expert8.0 6.0軟件設(shè)計響應(yīng)面實驗方案，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗設(shè)計原理，結(jié)合單因素實驗結(jié)果，設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面分析實驗。將所得數(shù)據(jù)進行二次方程回歸擬合，建立數(shù)學模型，用回歸方程的決定系數(shù)和校正系數(shù)來判斷數(shù)學模型的擬合程度〔10〕，同時研究不同因素間的交互作用，并確定篩選出的優(yōu)勢SRB對廢水中硫酸鹽去除的最佳條件。

2.2.2 模型的驗證

在響應(yīng)面法分析得到的預(yù)測最優(yōu)硫酸鹽去除條件下，將所篩選出的優(yōu)勢SRB置于35℃、150 r/min的恒溫搖床中培養(yǎng)，48 h后取樣測定廢水中的硫酸鹽去除率，進行3次重復(fù)實驗，最后將所得結(jié)果與模型的預(yù)測值進行比較，驗證其可靠度和有效性。

3 結(jié)果與分析

3.1 SRB的富集培養(yǎng)與分離

從處理檸檬酸廢水的IC反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥共分離出3株SRB，分別命名為SRB-1、SRB-2、SRB-3。因為SRB在液體培養(yǎng)基中可以還原硫酸鹽生成H2S，其能與Fe2+反應(yīng)生成硫化亞鐵黑色沉淀，故結(jié)合3個菌株液體培養(yǎng)基變黑的速度以及液體培養(yǎng)48 h后的硫酸鹽去除率作為優(yōu)勢SRB的篩選指標，結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)勢SRB的篩選

由表1可知，SRB-1使培養(yǎng)基變黑的速度最快，說明SRB-1生長代謝快，培養(yǎng)48 h后，該菌株對廢水的硫酸鹽去除率最高，達到了93.91%。所以將SRB-1作為后續(xù)實驗的菌株。通過觀察，SRB-1在固體培養(yǎng)基上菌落形態(tài)呈圓形隆起，直徑約0.5～1 mm，不透明，質(zhì)地較軟，濕潤，邊緣整齊。在添加Fe2+的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)時為黑色，不添加Fe2+時為白色。其可以利用乳酸鈉、乙酸、丙酸、檸檬酸作為電子供體還原硫酸鹽，不能利用葡萄糖。過氧化氫酶呈陰性，在油鏡下觀察SRB-1形態(tài)，呈短桿狀，革蘭氏染色為陽性。

3.2 單因素實驗

3.2.1 初始pH的影響

在不同初始pH條件下，考察SRB-1對廢水中硫酸鹽的去除效果，結(jié)果見圖1。

圖1 初始pH對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響

由圖1可知，整體上，隨著初始pH的不斷升高，SRB-1對廢水中硫酸鹽的去除率呈先上升后緩慢下降的趨勢。當初始pH為4.0時，硫酸鹽去除率為0，同時在實驗過程中觀察到菌株液體培養(yǎng)液沒有變黑，說明在強酸性條件下SRB-1難以對廢水中的硫酸鹽進行還原，較低的pH影響了SRB-1硫酸鹽還原酶的性質(zhì)，從而抑制了其生物代謝活性。當初始pH上升至5.0時，SRB-1對廢水中的硫酸鹽去除率提高到了54.54%，說明篩選出的SRB-1能夠適應(yīng)偏酸性的環(huán)境，可利用其去除偏酸性含硫酸鹽廢水中的硫酸鹽。當pH在4.0～7.0之間時，廢水中的硫酸鹽去除率逐漸增大，主要是因為pH的增大促進了SRB-1體內(nèi)相關(guān)酶的活性和穩(wěn)定性，改變了細胞膜電荷的變化。當初始pH為7.0時，廢水中的硫酸鹽去除率最高，故本實驗所篩菌株去除廢水中的硫酸鹽最優(yōu)初始pH為7.0。這與楊春璐等〔11〕所篩出的SBR菌株BQ1的生長最適pH一致。

3.2.2 C/S比的影響

考察了C/S比對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 C/S比對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響

由圖2可知，不同C/S比下SRB-1對硫酸鹽的去除效果不同。從整體上看，當C/S比為0.5～4時，硫酸鹽去除率逐漸增大，比值為4時，硫酸鹽去除率達到最大，為93.44%。當C/S比為0.5時，硫酸鹽去除率最低，僅為7.93%。這是因為SRB-1屬于異養(yǎng)微生物，根據(jù)其還原硫酸鹽的代謝機理，環(huán)境中的碳源在滿足SRB-1自身生長的同時，也要作為電子供體對硫酸鹽進行還原，理論上SRB完全還原硫酸鹽需要的C/S比為0.67。所以當C/S比較低時，碳源不足使得SRB-1硫酸鹽代謝比較緩慢，故其對硫酸鹽的去除率也較低。同時C/S比為6時，硫酸鹽去除率為92.29%，比C/S比為4略有降低，所以本實驗所篩菌株去除廢水中硫酸鹽的最佳C/S比為4。

3.2.3 Fe2+質(zhì)量濃度的影響

考察了Fe2+質(zhì)量濃度對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 Fe2+質(zhì)量濃度對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響

由圖3可知，當培養(yǎng)基內(nèi)不添加Fe2+時，硫酸鹽去除率最低，為48.51%，隨著Fe2+質(zhì)量濃度的不斷增大，硫酸鹽去除率逐漸增大，說明Fe2+的投加明顯提高了硫酸鹽去除率，這與R.Marchal等〔12〕的研究結(jié)果一致。SRB-1屬于一種厭氧微生物，添加具有還原性的Fe2+可以有效降低反應(yīng)體系中的氧化還原電位（ORP），從而保證和維持SRB-1生長所必須的厭氧條件，促進SRB-1的生長代謝過程，提高其去除硫酸鹽的性能。此外，廢水中的Fe2+會和硫化物結(jié)合生成硫化亞鐵沉淀，從而減弱所生成的硫化物對硫酸鹽還原過程的抑制作用，同時也減輕了硫化氫對SRB-1的毒害作用，有利于SRB-1對硫酸鹽的去除〔13〕。硫酸鹽去除率在Fe2+質(zhì)量濃度277.50～370.00 mg/L的變化幅度很小，F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度為277.50 mg/L時硫酸鹽去除率最大，達到了95.69%。

3.3 響應(yīng)面實驗

3.3.1 響應(yīng)面模型的建立和顯著性檢驗

結(jié)合單因素實驗結(jié)果，選擇C/S比、初始pH和Fe2+質(zhì)量濃度為響應(yīng)自變量，分別記為A、B、C，采用Box-Benhnken設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面分析實驗。響應(yīng)面分析因素及水平見表2。優(yōu)化實驗設(shè)計與結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)面分析因素及水平

表3 響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計與結(jié)果

利用Design-Expert 8.0 6.0軟件對表3中的實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，建立以硫酸鹽去除率為響應(yīng)值的多元線性回歸預(yù)測模型：硫酸鹽去除率=95.95+7.60A-3.62B+2.29C+0.45AB-1.06AC+9.24BC-19.14A2-23.12B2-16.02C2，對該模型方程進行方差分析和顯著性檢驗的結(jié)果見表4。

由表4可知，C/S比、初始pH以及Fe2+質(zhì)量濃度對SRB-1去除廢水中的硫酸鹽有較大影響。該模型的F值=739.71，P值＜0.000 1，回歸模型極顯著；方程的失擬項P值為0.076 5＞0.05，不顯著，說明該模型在整個回歸區(qū)域的擬合度很好，接近響應(yīng)曲面的真實情況，模型建立合理。模型的決定系數(shù)（R2）=0.998 9，校正系數(shù)（Adj R2）=0.997 6，表明預(yù)測值和實際值的相關(guān)性較高，可以解釋出99.76%的響應(yīng)值變化，實驗誤差小。此外，變異系數(shù)（CV）可以用來表示模型的精確度，一般來說，CV值越低，模型的可信度越高，CV小于10%都是合理的，本實驗?zāi)Ｐ椭械腃V=1.43%，說明所建立的模型精確度高，實驗可信?？梢岳迷摶貧w模型對響應(yīng)值硫酸鹽去除率進行預(yù)測，從而確定SRB-1去除廢水中硫酸鹽的最佳條件。

表4 二階回歸模型方差分析和顯著性檢驗

3.3.2 響應(yīng)面分析

在響應(yīng)面分析中，響應(yīng)曲面越陡峭，則該因素對響應(yīng)值的影響越顯著。等高線形狀越接近橢圓，則兩因素間交互作用越強，等高線形狀為圓形時則表示兩因素之間交互作用較弱〔14〕?？疾霤/S比、初始pH、Fe2+質(zhì)量濃度三個變量以及兩兩交互作用對SRB-1去除廢水中硫酸鹽效果的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4（a）可知，響應(yīng)曲面比較陡峭，結(jié)合表3結(jié)果，這兩個因素（A和B）的P值均小于0.000 1，表明初始pH、C/S比均可以對SRB-1去除廢水中的硫酸鹽產(chǎn)生極顯著影響。同時因為一次項A的回歸系數(shù)大于B，所以C/S比對硫酸鹽去除率的響應(yīng)較大。此外，初始pH和C/S比之間的交互作用并沒有對硫酸鹽去除率產(chǎn)生顯著影響。這是因為由響應(yīng)面所形成的等高線圖近似圓形，且交互項AB的P值為0.388 6，大于0.05，未達到顯著水平。當初始pH和Fe2+濃度一定時，廢水中的硫酸鹽去除率隨著C/S比的增大呈先上升后下降的趨勢，當C/S比和Fe2+濃度一定時，廢水中的硫酸鹽去除率隨著pH的增大先上升后下降，這跟單因素實驗結(jié)果一致。

圖4 各影響因素的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

由圖4（b）可知，響應(yīng)曲面較為陡峭，等高線圖接近圓形。結(jié)合表3結(jié)果，這兩個因素（A、C）的P值均小于0.000 1，說明C/S比和Fe2+質(zhì)量濃度對廢水中的硫酸鹽去除率影響顯著，同時因為一次項A的回歸系數(shù)大于C，所以C/S比對硫酸鹽去除率的響應(yīng)比較大。結(jié)合對回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗，交互項AC的P值為0.066 6，大于0.05，表明兩者之間的交互作用比較弱，沒有對硫酸鹽去除率產(chǎn)生顯著影響。

由圖4（c）可知，響應(yīng)曲面較為陡峭，表明初始pH、Fe2+質(zhì)量濃度均可以對SRB-1去除廢水中的硫酸鹽產(chǎn)生顯著影響，且兩者之間的交互作用比較強，（等高線圖接近橢圓形）。同時結(jié)合表3結(jié)果，交互項BC的P值小于0.000 1，說明當C/S比一定時，初始pH和Fe2+質(zhì)量濃度之間的交互作用對廢水中硫酸鹽去除率的影響是顯著的。由等高線圖可知，在C/S比一定的條件下，初始pH為8.5時，硫酸鹽去除率隨Fe2+質(zhì)量濃度的增大而增大。pH決定著游離H2S在總硫化物（HS-+H2S）中的比例〔15〕，F(xiàn)e2+是 SRB 細胞中各種酶的活性基組分，在細胞內(nèi)通過自身價態(tài)轉(zhuǎn)化（Fe2+?Fe3+）實現(xiàn)所在酶電子傳遞的作用〔16〕。 當pH大于7時，硫化物的存在形態(tài)主要是HS-，溶液中硫化物的含量增加，其可以與水中的Fe2+結(jié)合，當水中Fe2+質(zhì)量濃度較低時，會導(dǎo)致SRB-1體內(nèi)電子傳遞系統(tǒng)失活〔17〕，間接抑制微生物的活性，所以適量提高Fe2+質(zhì)量濃度有助于廢水中硫酸鹽的去除。

此外，3個響應(yīng)面圖均為開口向下的凸形曲面，表明實驗結(jié)果有極大值。同時，由等高線圖可知，最大值落在了所設(shè)計的實驗范圍內(nèi)，且回歸方程存在極值的條件應(yīng)該在圓心處。利用Design-Expert 8.0 6.0軟件計算得出預(yù)測最優(yōu)條件為：初始pH為6.9、C/S比為4.39和Fe2+質(zhì)量濃度為281.72 mg/L，此條件下SRB-1對廢水中的硫酸鹽去除率最高，達到96.87%。考慮到實驗過程中操作的便利，將最佳的硫酸鹽去除條件修正為初始pH為6.9、C/S比為4.4、Fe2+質(zhì)量濃度為281.72 mg/L。

3.3.3 驗證實驗

為了驗證模型預(yù)測的準確性及響應(yīng)面優(yōu)化的SRB-1對廢水中硫酸鹽的去除效果，用修正后的條件做3次重復(fù)實驗。實驗結(jié)果分別為96.87%、96.79%、96.78%。平均值為96.81%，所得實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果基本一致。與驗證實驗結(jié)果比較，采用響應(yīng)面優(yōu)化得到的硫酸鹽去除條件準確可靠，具有實用價值。

4 結(jié)論

（1）從處理檸檬酸廢水的IC反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥富集培養(yǎng)，分離純化得到1株可以高效去除廢水中硫酸鹽的菌株SRB-1。SRB-1對硫酸鹽的去除效果受初始pH、C/S比、Fe2+質(zhì)量濃度的影響。單因素實驗表明，當初始pH為7.0，C/S比為4，F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度為277.50 mg/L時可以獲得較好的硫酸鹽去除效果。

（2）在單因素實驗的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法對SRB-1去除廢水中硫酸鹽的條件進行了優(yōu)化，建立了硫酸鹽去除率與初始pH、C/S比和Fe2+質(zhì)量濃度3個因素的二次多項式回歸模型，通過方差分析及因素間的交互作用分析可知，回歸模型的R2=0.998 9，Adj R2=0.997 6，在研究范圍內(nèi)擬合效果較好；C/S比對硫酸鹽去除率的影響較突出，初始pH和Fe2+質(zhì)量濃度之間的交互作用比較顯著，P值均小于0.000 1。

（3）SRB-1 在初始 pH 為 6.9、C/S 比為 4.4、Fe2+質(zhì)量濃度為281.72 mg/L的最優(yōu)化條件下去除廢水中硫酸鹽時，SRB-1在培養(yǎng)48 h后對硫酸鹽的去除率可達96.81%，與預(yù)測結(jié)果96.87%基本一致。表明該回歸模型預(yù)測能力良好，得到的優(yōu)化條件準確可靠，具有實用價值。